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微生物燃料電池の種類と原理についてのまとめ

更新日:



微生物燃料電池は、構造よって、

大きく3種類に分けられます。


  • 槽型微生物燃料電池
  • 底泥型微生物燃料電池
  • 植物型微生物燃料電池



どれも構造が少し異なりますが、

本質的な原理は同じです。



微生物燃料電池は微生物の代謝

利用した燃料電池の一種です。



どんな微生物でも良い

というわけではなく、

電子生産菌(電流菌、発電菌)

と呼ばれる微生物を使用します。



日本語名は様々な呼ばれ方があります。

英語だとelectrogenic bacteriaです。



代謝とは人間と同じように、

食べ物(有機物)を分解してそこから

生命活動を維持するのに必要な

エネルギーを得る働きのことです。



電子生産菌は代謝した際に

体内から電子を抜き取ることができる

という位置づけになります。



では電子生産菌から抜き取った電子は

どのようになるのでしょうか。

放出された電子は電極で受け取ります。

電子供給体 & 電子受容体の関係です。




①微生物が有機物を分解する
②電極に付着した微生物が電子を放出する
③電子受容体は放出された電子を受け取る



画像を見ていただくと分かるのですが、

電子受容体には"気体の酸素"と

"固体の電極"が該当します。

もちろんそれ以外にも存在します。



酸素の方が受容体としての

性質が強いと言われています。

したがって酸素が電極付近に存在すると、

電極ではなく酸素に電子が渡ります。



また電池なので電極で起こる反応があるはずです。

以下に一般的な電極反応を示します。


まずアノード極に微生物を付着させます。

すると微生物は代謝(有機物を分解)して、

アノード極に電子を渡します(酸化反応)。



カソード極ではアノード極で

受け取った電子が伝わってくるので、

酸素が還元されます(還元反応)。



ここで注意したいのは、

酸化還元反応が電極周辺で発生し、

電極自身は反応に対して

不活性であるという点です。



難しい話になりますが、

もし電子受容体として鉄などを

用いた場合は電極自身が、

還元することになります。



そしてアノード極とカソード極の間に

外部抵抗を挟んでおけば、

その外部抵抗には電流が流れ、

電圧が印加されるというわけです。






以上が微生物燃料電池の原理です。

次は微生物燃料電池の種類です。



どれも本質的な考え方は同じですが、

構造の違いによって微生物燃料電池の

使用環境や使用目的が異なってきます。



槽型微生物燃料電池とは



最も研究で使用されるタイプの

微生物燃料電池です。



1槽型2槽型というものがあります。

1槽型はエアカソード型とも呼ばれています。



ここではより実用的である

1槽(エアカソード)型のタイプに

焦点を置いて話します。





槽型の微生物燃料電池は、

家庭廃水などの廃水浄化に用いられます。



したがって装置内は廃水で満たされており、

カソード極側から酸素が装置内に

侵入する仕組みになっています。



1槽で構成されているため、

2槽型微生物燃料電池とは異なり

イオン交換膜や塩橋といった

特別な仕切りは必要ないです。



しかしアノード極への酸素到達の

影響が大きい装置にとっては、

カソード極と空気の境界線に

膜を張る場合もあります。



この膜は微生物燃料電池の内部に、

酸素が過度に混入することを

軽減させる目的があります。



酸素が内部に混入した場合、

アノード極反応とカソード極反応が

ほとんど同時にアノード極で

起こり得ることになります。



電子生産菌は代謝をして、

アノード極に電子を渡します。



しかしアノード極周辺に

酸素が存在するとそのまま、

アノード極でカソード極反応が

起きてしまうからです。



これは発電能力の低下につながります。



作成した微生物燃料電池について

アノード極への酸素到達度合いが

低い場合は膜を用いる必要はないです。



微生物燃料電池といっていますが、

このような槽型は廃水浄化などに

用いられることが多いため、

発電能力の強さは二の次です。



廃水には有機物が豊富に含まれており、

微生物燃料電池の原理、つまり

微生物の代謝を利用して

有機物を分解することで、

廃水をきれいにするというわけです。



そのため、このタイプの

微生物燃料電池の評価には、

どれだけ早く有機物を分解したか

どれだけ多種の有機物を分解したか

といった指標が使われます。



例えば指標にはCOD除去率などがあります。

COD: Chemical oxygen demand



底泥型微生物燃料電池とは



廃水を使用した槽型タイプとは異なり、

底泥型微生物燃料電池は

土壌を装置内に使用します。




世界のあらゆる土壌中に、

電子生産菌が存在することが

すでに知られています。



汚くて臭い土壌の方が

電子生産菌と有機物は豊富に

含まれているようです。



アノード極は土壌の底に設置して、

空気中(酸素)から遠ざけます。

カソード極は土壌表面に設置して、

空気中に触れるようにします。



底泥型微生物燃料電池では、

各電極の反応物として用いる水分子の

使用量に注意が必要です。



反応物として使用した水分子は、

アノード極反応とカソード極反応によって

ある程度は取り戻せるようになっています。



もし水分子が不足すると、

アノード極反応、カソード極反応ともに

反応速度が遅くなり発電能力が落ちます。



底泥型微生物燃料電池を用いる環境や

目的によってはそういった事態が発生します。



その場合は底泥型微生物燃料電池作成時に、

予め土壌を湿らせておいたり、

土壌に水が堆積するようにしておきます。



このようにして土壌に十分な水分を

含ませるための対策をとります。



ここで水を土壌の上に

堆積しすぎてしまった場合について考えます。



水の過度な追加は、カソード極への

酸素到達を軽減させることになるので、

カソード極反応に必要な酸素が

不足する羽目になりかねません。



その結果、逆に発電能力を下げることになるので、

意図的に水を加える際には、

適切な量を加える必要があります。



また底泥型微生物燃料電池は、

発電目的で使用されることが多いです。

もちろん土壌浄化の目的でも

使用することが出来ます。




目的に応じて、

作成した微生物燃料電池の

評価指標を変える必要があります。



発電力と浄化力は、一概にも

比例しているわけではないです。



植物型微生物燃料電池とは



最もマイナな微生物燃料電池です。

底泥型微生物燃料電池に、

植物を追加したようなイメージです。




記事の最初にお話ししたように、

微生物燃が有機物を分解することで

電子を手に入れます。



つまり有機物が存在しなければ、

微生物は代謝を行うことが

出来なくなってしまいます。



そこで植物は、光合成によって

有機物の供給役を担います。





植物は光合成を行うと

グルコースを排出します。



これは植物の栄養分として

植物体内に取り込まれるが、

その余剰分が土壌中へ排出されます。



有機物を常に供給できる長所がありますが、

微生物燃料電池の発電能力は

植物の生命力と周辺環境の影響を

大きく受けることになります。



太陽光が植物に当たる環境や、

通年生命力を保てる植物でないと、

発電の持続可能性はなくなります。



このようなことから

一般的に植物型微生物燃料電池は、

植物モニタリングでよく用いられます。



発電能力と植物の生命力が比例している

という考え方から来ています。。






以上、微生物燃料電池について

簡単にまとめてみました。

最後まで読んでいただきありがとうございました。




植物型微生物燃料電池については
こちらの記事で詳しく触れています。
https://wireless-network.net/plant-mfc/



微生物燃料電池の嫌気性度合いが発電に
どの程度の影響を与えるか調査しました
https://wireless-network.net/mfc-anaerobic/



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